자동차 혁신의 숨은 주역 ‘반도체 IP’

Arm 프로세서 코어, 자동차 분야에서 종횡무진 활약

2018년 03월호 지면기사  /  윤 범 진 기자 _ bjyun@autoelectronics.co.kr




일반적으로 차량 당 평균 40~50개의 프로세서가 탑재되며, 고급 자동차 모델의 경우 약 120개의 프로세서가 탑재된다. 인피니언 자동차 사업부 피터 쉬퍼(Peter Schiefer) 사장은 “자동차 혁신의 90%를 반도체 및 전자장치가 이끌고 있다.”고 말한다.

주니퍼 리서치는 “M2M: Strategies & Opportunities for MNOs, Service Providers & OEMs 2016-2021” 보고서를 통해 향후 5년 동안 커넥티드카 인포테인먼트 및 텔레매틱스에서 생성되는 데이터가 모든 M2M 데이터 트래픽의 98%를 차지할 것이라는 결론을 도출했다. 이것은 차량용 반도체 칩 회사들에게 열, 공간, 전력 제약 등 많은 도전 과제를 제기한다.

자동차 산업의 관점에서 보면, 반도체는 혁신의 주역이자 혁신의 대상이다. 반도체 제조 공정의 진보와 디자인 측면의 혁신에 힘입어 자동차 전자 시스템은 안정화되고 가격은 꾸준히 하락했다. 그 결과 럭셔리 자동차에나 적용되던 일부 운전자지원 기능과 인포테인먼트 혁신이 보급형 차량에도 도입되고 있다(그림 1). 자동차 제조업체들이 ADAS 및 자율주행 기능을 지속적으로 강화함에 따라 당분간 이 추세는 지속될 전망이다.



업계 분석가들은 일반 세단의 온보드 컴퓨팅 성능이 2025년에 2016년의 100배로 향상될 것으로 보고 있다. 예를 들어, ADAS는 자동차에 분산돼 있는 다양한 센서 정보를 통합하기 때문에 엄청난 컴퓨팅 스펙트럼을 포함하게 되며, 이 데이터는 대형 처리장치로 보내져 결정을 실시간으로 내리게 된다. 안전 동작이 중요한 모든 ADAS 부품은 최고 수준의 안전 등급(ASIL C/D)에 맞게 설계돼야 한다. Arm 사가 최근 발표한 자율주행차 실현을 위한 실시간 프로세서 Arm Cortex-R52는 ASIL D를 만족한다. Arm은 엄격한 개발 프로세스의 문서화, 오류 모델링(fault modeling), 소프트웨어 격리 기능 지원을 통해 자율주행 애플리케이션을 다루는 파트너가 제품을 보다 신속하게 출시할 수 있도록 돕는다.





선택의 경제학

빠르게 변화하는 자동차 시장에 맞춰 적기에 반도체 칩을 개발하는 가장 빠른 길은 이미 만들어진 칩 자산(IP)을 재사용하는 것이다. 그러나 자동차 애플리케이션에 사용하는 반도체는 요구사항이 타 애플리케이션과 완전히 다르다. 최소 10년의 기대 수명과 거친 환경에서도 안정적으로 동작해야 한다. 또한 자동차 IP와 SoC는 ISO 26262에서 정의하고 있는 자동차 기능안전과 같은 엄격한 규정을 준수해야 한다. AEC-Q100은 칩 제조업체들에게 신뢰성 테스트 및 검증을 위한 지침을 제공하기 위해 다양한 온도 등급을 정의하고 있다.

Arm Cortex-R52는 소프트웨어 작업들이 하드웨어적으로 분리되어 안전이 중요한 코드가 완전히 격리되도록 보장한다. 이를 통해 하드웨어는 작업의 실행과 자원을 제어하는 소프트웨어 하이퍼바이저의 관리를 받게 된다. 정확하면서 강력한 소프트웨어 격리를 통해 Arm Cortex-R52는 안전성 인증을 받아야할 코드량을 줄임으로써, 소프트웨어 통합 및 유지보수와 검증 과정이 간편해져 개발을 가속화한다.

실시간 시스템이 요구하는 결정성과 고속 문맥 교환(context switching) 기능을 제공하면서 보다 심화된 소프트웨어 복잡성에 대응한다. 덴소는 자동주행 시스템 및 차량 제어 레퍼런스 플랫폼을 개발하기 위해 Cortex-R52를 라이선스했다. 덴소는 pre-SoC 평가를 위해 프로세서 RTL에서 컴파일된 계산 모델인 Arm ‘사이클 모델’을 사용해 프로세서 선택 전의 프로세서 성능을 평가했다.

최근까지 써드파티 IP는 애플리케이션 시장에 관계없이 온전히 기능과 전력/성능 특성을 기준으로 선택됐다. 이제 시대가 바뀌었다. 자동차 업계는 차량용 IP에 대한 여러 표준을 제정했으며, 이 표준은 정기적으로 갱신되고 있다.

오늘날 자동차 IP와 SoC에 대한 요구사항이 상용 및 컨슈머 제품과 크게 다른 것 중 하나는 앞서 강조한 안전성이다. 안전성은 특히 요즘 떠오르고 있는 자율주행 차량의 주요 토픽이다. 자율주행 제품은 ISO 26262를 비롯한 업계 표준에 의해 정의된 엄격하고 체계적인 프로세스 절차에 따라 개발돼야 한다.

자동차 내부에는 다양한 애플리케이션과 도메인이 존재한다. 각각 다른 칩과 해당 칩에 포함된 IP로 처리된다. 이들 칩은 일반적으로 3가지 범주에 속한다.

우선, 자동차 전반에 널리 사용되고 있는 아주 전통적인 MCU 범주이다. 자동차 MCU는 전통적이고 성숙된 공정에서 생산되며 주로 파워트레인 관리, 바디 및 섀시 제어, 에어백 전개와 같은 애플리케이션에 사용된다. 이같은 애플리케이션 프로세서는 NXP, 르네사스, 인피니언, ST 등 대부분의 MCU 업체들이 제품을 내놓고 있다. 이들 업체들은 대부분 Cortex-M 프로세서 코어를 기반으로 현재 300~400 MHz MCU를 선보이고 있다.

스트래티지애널리틱스(Strategy Analytics) 데이터에 따르면, 경차에 탑재된 MCU의 50% 이상이 바디 도메인 애플리케이션에 사용됐다(그림 4). 바디 애플리케이션은 파워트레인 및 안전성(safety) 분야만큼 큰 성장은 아니지만, 2023년에는 총 MCU 수요량의 49%를 차지하며 약 18억 개의 MCU가 사용될 것으로 예상된다.



두 번째는 IVI(In Vehicle Infotain-ment) 시스템의 두뇌 역할을 담당하는 인포테인먼트 칩이다. IVI은 자동차 제조업체가 치열한 경쟁에서 타사와 차별화를 구현할 수 있는 부문으로 꼽힌다. 운전자에게는 풍부한 운전석 경험을 제공함으로써 더 편안하고 안전한 여정을 돕는다.

NXP의 애플리케이션 프로세서 i.MX 8 시리즈는 기능과 성능을 확장할 수 있는 멀티코어 플랫폼으로 Cortex-A72 + Cortex-A53, Cortex-A35 및 Cortex-M4 기반의 고급 그래픽, 이미지, 머신비전, 오디오, 음성, 비디오 및 안전 중심 애플리케이션에 적합하다. NXP에 따르면, i.MX 멀티미디어 프로세서는 6,500만 대 이상의 자동차에 사용되고 있다.

삼성 엑시노스 8890(Samsung Exynos 8890)은 고성능을 위한 삼성 엑시노스 커스텀 CPU와 고효율을 위한 Arm Cortex-A53 CPU 및 MP12 구성의 Arm Mali-T880 고성능 GPU를 결합했다. 자동차 환경에서, 이러한 CPU 조합은 Arm 빅리틀(big.LITTLE) 기술을 통해 작업 요구사항에 따라 작업 부하를 최적화함으로써 성능 저하 없이 최대 효율을 제공한다.

현재 인포테인먼트 칩은 주로 28 nm 공정에서 제조되지만, 훨씬 더 높은 성능을 제공하기 위해 16/14 nm 핀펫(FinFET) 공정으로 이동하고 있다. 자동차 등급 인포테인먼트 칩은 대부분의 칩 벤더들이 -40 ℃~+125 ℃에서 동작하는 제품을 공급한다.

인포테인먼트 애플리케이션에서도 장기 신뢰성이 중요하다. 인포테인먼트 칩은 최소 10년 이상의 장기 동작 수명을 보장해야 한다. IP 관점에서는 특히 전자이동(electromigration)과 관련하여 장기 신뢰성 특성을 충족시켜야 한다. 차량용 IP의 중요한 측면이기도 하다. 잘 정의된 다른 요구사항에 비해 전자이동 요구사항은 아직 표준화되지 않았다. 공개 표준이 없는 경우, 일부 파운드리나 IP 회사들은 자체 운용 조건(Mission Profile)을 정의한다.

IP는 또한 차내 다양한 애플리케이션에 재사용할 수 있어야 한다. 코어 기능에서, 범용 빌딩블록을 통해 효과적인 IP를 만들 수 있다. ADAS 서브시스템은 이미지 처리를 위한 DSP 코어와 결합된 Arm Cortex와 같은 범용 RISC 정수연산 코어들의 다중 인스턴스화로 설계할 수 있다.

세 번째는 새로운 종류의 ADAS 프로세서이다. 이것은 여러 자동화 단계로 진행할 수 있도록 지원하는 새로운 종류의 소자로, 관심이 집중되고 있는 분야이다. 일반적으로 ADAS 프로세서는 레이더, 라이더, 이미지센서, 카메라 데이터 등 다양한 종류의 센서 데이터를 처리한다. 이러한 애플리케이션의 처리량과 칩 복잡성, 멀티미디어 데이터량으로 인해 공정은 16/14 nm를 이용하고 있으며 심지어 7 nm로 이동하고 있다. ADAS 프로세서는 안전 중심 기능을 요구하므로, ADAS 칩 IP 빌딩블록은 ISO 26262를 준수해야 한다.

IP 벤더

Arm, 케이던스, 시놉시스와 같은 IP 코어 라이선스 회사들은 전체 시스템에서 단일장애점(Single Point of Failure, SPOF)이 3% 또는 1% 미만인 ASIL C/D 인증 IP를 제공함으로써 안전이 중요한 SoC의 설계, 인증 및 판매하는 데 소요되는 개발 시간을 대폭 절감시켜 준다. ASIL C/D 인증을 취득하기란 쉽지 않다. 독립 인증기관과 협력해도 1년 이상 소요될 수 있다. 또한 자동차 산업용으로 설계된 IP는 실리콘이나 소프트웨어 오류로 인한 결함을 포함하는 보다 엄격한 검증 과정을 거친다. 이 과정은 일반적인 검증 프로세스보다 최소 6~8개월 이상 소요될 수 있다.

이는 차량용 IP 개발이 새로운 과제를 부여하기 때문에, 인프라 데이터 및 IP 관리 등에도 영향을 미친다. IP 관리 시스템은 더 이상 IP 검색을 돕기 위한 단순한 속성 및 범주를 포함하고 있는 단순한 저장소가 아니다. 개발 단계에서 다양한 IP를 추적할 수 있어야 하며 소프트웨어 팀을 포함해 개발 팀의 모든 부서에서 필요한 지식 기반을 축적해 IP와 관련된 모든 데이터를 단일 소스로 제공해야 한다. 여기에는 사양, 아키텍처, 문제점, 검증 결과, 인증, 토론 및 해결책이 포함된다.

엔지니어들은 차량용 IC에 요구되는 긴 수명을 감안할 때, IP와 관련된 모든 정보를 찾을 수 있는 단일 체계가 필요하다. 예를 들어, 문제가 발견되면 설계자는 신속한 해결을 위한 방법이나 관련 정보를 찾을 수 있어야 한다. 또한 어떤 심각한 문제가 있는지 팀에 알리기 위해, IP 서브시스템과 SoC 전반에 걸쳐 IP와 수많은 변형을 추적하는 것이 중요하다. IP 추적은 라이선스 관점에서 중요하다. 기업들이 써드파티 IP를 구입하거나 타사와 파트너십을 구축함에 따라, 부담을 줄이고 IP 데이터의 보안을 관리하기 위해 효과적인 라이선스 관리가 그 어느 때보다 중요해졌다.

파운드리

파운드리 회사들은 차량용 SoC를 지원하기 위해 다양한 공정을 도입하고 있으며 다양한 자동차 애플리케이션을 지원하기 위한 다양한 구조를 제공한다.

차량용 IC는 보다 진보된 노드를 위한 하이-K/금속 게이트 및 핀펫 뿐만 아니라 완전/부분 공핍형 SOI(Fully/Partially-Depleted SOI, FD/PD-SOI) 및 바이폴라-CMOS-DMOS 공정을 포함해 벌크 CMOS로 제조된다. 벌크 CMOS 설계는
1마이크론~250/180 nm 범위에서 16/14 nm까지 가능하다.

PD-SOI는 180 nm~90 nm 범위를, FD-SOI는 28 nm를 중심으로 최근 22 nm 공정까지 도입되었다. 벌크 CMOS 공정 칩은 14 nm를 사용하는 새로운 애플리케이션을 포함해 65 nm, 40 nm, 28 nm에서 개발되고 있다. 일부 첨단 ADAS 칩은 10/7 nm로 전환하려는 논의가 진행되고 있다. 과제는 장기 신뢰성과 엄격한 온도 조건을 새로운 첨단 공정에 통합하는 것이다.

TMSC 같은 독립 파운드리는 자동차 설계용 웨이퍼를 생산한다. 과거에는 온도 조건 이외의 다른 기준은 거의 없었다. 최근에야 일부 파운드리 회사들이 IP를 자사 카탈로그에 차량용 IP로 표시하기 위해 광범위한 허용 기준을 제시했지만, 이러한 요구사항은 파운드리마다 다르기 때문에 결국 선택은 IP를 사용하는 SoC 설계자의 몫이다.

설계 룰

파운드리가 제시하는 차량용 SoC 및 IP의 설계 고려사항에는 자동차 등급 IP가 소비자용 IC보다 높은 온도 범위에서 동작하기 때문에, 고온(AEC-Q100 등급2의 경우 접합온도 125 ℃, AEC-Q100 등급1의 경우 접합온도 150 ℃)에서 SPICE를 사용하는 모든 아날로그 설계가 포함될 수 있다.

모든 표준 셀 라이브러리에는 더 높고 넓은 온도 범위를 지원하는 타이밍 모델이 필요하다. 타이밍 클로저는 더욱 어렵다. 장기 신뢰성을 보장하기 위해 EM/IR 및 노화 분석과 같은 신뢰성 분석이 수행돼야 하며, 자동차 설계 지침을 따라야 한다. 기능안전 측면에서, ISO 26262에 정의된 지침에 따라 설계를 분석해야 한다. 또한 안전성 매뉴얼과 FMEDA 보고서도 제공해야 한다.

그러나 파운드리의 설계 지침은 자동차 네트워크 세그먼트에 따라 달라진다. ADAS, 인포테인먼트, 센서 허브 애플리케이션의 경우에는 도전적인 배선 폭(feature size)의 하이-K 유전체 CMOS 공정을 요구한다. 이것은 특히 복잡한 SoC 설계에 적합하다. 반면 드라이브트레인 애플리케이션의 경우에는 보다 안정된 배선 폭의 고전압 BiCMOS 공정을 선호한다.

프로세싱 표준

ISO 26262는 최신(State of the Art, SOA) 프로세스 방법론을 요구하고 있다. 현재 고객 및 서플라이어와의 인터페이스에서 최종 문서 공개에 이르기까지 모든 증거를 문서화하고 관리하는 방법에는 많은 요구사항이 있다. 분산 개발에 따른 인터페이스를 캡처하기 위한 요구사항을 비롯해 검증에 대한 추적성을 포함해 요구사항의 생성 및 관리, 디자인 및 문서 자료의 구성 관리, 디자인 정보의 모든 부분에 대한 변경 관리 등이 그것이다.

또한 디자인 아키텍처 및 평가, 구현, 테스트의 모든 검증 및 확인(V&V), 작업에 대한 계획, 사양, 보고서를 정의해야 한다. 제품을 만드는 데 사용되는 프로세스 및 툴은 특정 수준의 신뢰도로 평가되어야 한다. 최고의 신뢰 수준을 충족하지 못하는 프로세스 및 툴 부분에 대해서는 ISO 26262를 만족하는 제품 개발에 사용할 수 있도록 추가 인증을 받아야한다. end

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